基于數字功放的拆回電能表分揀裝置

劉含露 朱文波 林綠浩

（國網湖北省電力有限公司咸寧供電公司 湖北省咸寧市 437100）

對于拆回電能表的分揀工作，目前主要依靠基層人員人工手動來實現，人工通電、手動讀取并抄錄止碼信息、查看存儲或計量故障等信息并進行分揀結果記錄。人工手動拆回電能表的分揀方式存在錯檢誤檢率無法保障、效率低、分揀環境雜亂無章等問題。針對人工分揀存在的問題，本文提出一種自動智能化分揀方式，采取分揀裝置自動通電、電能表智能檢測、檢測結果智能記錄等流程，實現拆回電能表能夠高效、準確、可靠的分揀工作。

1 硬件設計

1.1 系統硬件設計

系統硬件結構如圖1 所示，掃碼槍實現電能表信息讀取以及錄入。數字功放系統提供待檢電能表電源，并與電能表進行交互完成電能表基本功能檢測。通過載波測試系統完成電能表載波通信功能的檢測，紅外抄表系統完成電能表紅外通信功能的檢測。圖像識別系統通過拍攝完成電能表止碼錄碼、外觀等檢測。從各個不同的維度完成電能表的檢測分揀工作，最終輸出電能表分揀結果。

1.2 數字功放系統設計

數字功放系統主要針對拆回電能表基本功能進行檢測，包括電壓電流量程、日計時誤差、計量誤差等[1]。數字功放系統硬件原理框圖如圖2 所示。

1.2.1 功率源系統設計

功率源系統主要輸出全量程電壓電流，實現電能表基本功能檢測，其工作流程：當上位機下發輸出電壓電流命令后，信號源進過內部處理輸出，提供一個sin 波給功率源系統，功率源系統中的前置PWM 電壓、電流放大電路板內部的三角波發生電路產均生一個三角波，sin 波以及三角波兩種波形比較產生一個PWM 波，此PWM 波通過功率源內部電路處理分成4 路PWM 波，經過調制解調電路以及濾波放大電路產生sin 波，再進過升壓器或者升流器輸出電壓電流[2]。不同檔位的電壓電流輸出配合饋網系統通過升壓器以及升流器來進行控制輸出，其輸出精度受標準表以及補償電路控制，準確度等級不低于0.1 級[3]。

1.2.2 饋網系統設計

饋網系統設計主要為了電能表供電切擋的實現，兼容全量程輸出。CUP 控制單元采用PIC 系列單片機，控制電壓電流的切擋功能，電壓、電流均采用隔離光耦驅動MOS 管，進而控制繼電器的開閉切換，實現切擋。

1.2.3 信號源設計

信號源主要為功率源系統提供一個sin 波，與其內部發生的三角波進行對比產生PWM 波，最終實現功率輸出。信號源工作原理主要是通過單片機XC6SLX45-2FGG484I 控制DAC8812ICPWR 芯片完成DAC 輸出，經過波形表換實現sin 波的輸出。需要注意的是在DAC 輸出時需要提供兩個DAC 電壓基準。

1.2.4 時鐘源設計

時鐘源系統提供輸出500K 信號，用于檢測電能表日計時誤差。系統電源由總電源220V 提供，經過開關電源轉換實現直流供電15V，經過幾路DC-DC 電源電路分別給不同的芯片電路提供供電。系統內部使用晶體振蕩器，輸出標準的5VTTL 電平，晶振頻率準確度＜±30ppb/25℃，通過雙四位十進制計數器的應用保證準確性，通過雙MOS 控制電路，實現500K 信號的輸出，通過與表位單元系統連接，經過串口服務器傳輸，最后通過RJ45 接口由交換機與上位機軟件系統進行交互，實現功能。

1.2.5 標準表設計

標準表系統主要實現計量誤差功能檢測、電能表供電功能檢測。供電主要由LTM4622Y 電源芯片以及幾路DC-DC 電路實現，內部通過XC6SLX45 型號的FPGA、MX25L12835FM2I-10G 的數據存儲FLASH、電壓回路A/D 轉換電路、電壓回路A/D 轉換電路、CT補償電路提供標準電壓電流、計量信息，用于檢測拆回電能表的供電以及計量誤差等信息。

1.2.6 通信單元設計

硬件系統交互主要通過CAN 總線通信或者RS-485 通信，分別為CAN 通信電路以及485 通信電路。

1.3 載波測試系統設計

1.3.1 寬帶載波測試工裝設計

寬帶載波測試工裝主要針對安裝HPLC 載波模塊的電能表進行通信功能檢測，實現互聯互通，通過上行通過RS232 串口與交換機進行連接，下行直接連接待測電能表取電端子，其工作硬件原理框圖如圖3 所示。

通過載波芯片TC9202 TCS091.+TCS091 對于信號的處理實現信號的發送與接收功能。載波芯片TC9202 TCS091.+TCS091 接口為串行UART 口，而交換機接口為RS-232、RS-485 標準串口通信接口，故中間需要RS-232 接口電路，通過SP3232EEN-L/TR 芯片實現電平轉換。

具體工作原理為：當上位機發出通信功能檢測命令時，交換機通過RJ45 接口完成命令的轉發通信，經由232 接口電路完成電平轉換到載波芯片端口為TTL電平信號，載波芯片完成D/A信號處理，通過發送電路使用發送PA 放大芯片進行信號放大、載波耦合電路耦合到電能表接線端子，與電能表進行交互，讀取相應的抄讀數據，抄讀信結果通過接收濾波電路濾除異頻干擾信號，保留同頻信號，將信號傳輸到載波芯片TC9202 TCS091.+ TCS091，載波芯片實現A/D 信號處理，仍通過232 接口電路實現電平轉換，通過交換機最終反饋給上位機軟件系統，實現測試功能。

1.3.2 窄帶載波測試工裝設計

窄帶載波測試工裝，檢測對象為安裝窄帶載波模塊的電能表，其硬件原理參考寬帶載波測試工裝設計。

使用載波芯片TCS081F 實現載波信號的發送接收處理，接收信號時，耦合信號經過濾波接收電路后，信號解調電路使用TC6003A 芯片進行信號的解調，然后再通過載波芯片TCS081F 處理，使用SP3232EEN-L/TR 芯片實現電平轉換，完成整個通信功能的檢測。

2 軟件設計

上位機軟件系統基于C++builder 開發環境，使用C++語言進行編寫，其中圖像識別功能基于OpenCV 庫開發，在完成系統開發后，首先在實驗室搭建實際環境進行調試運行，能夠正常調試運行后，在現場實際進行測試檢測，能夠滿足現場電能表分揀工作的需求，以止碼錄碼檢測為例，其軟件系統工作流程如圖1 所示。

當需要進行止碼錄碼功能檢測時，上位機根據需求選擇配置的檢測方案，優先默認選擇載波方式進行通信檢測，與待測電能表進行通信，通信后的結果反饋到上位機系統，通信成功則進行下一步工作，系統完成止碼錄碼工作，連續通信失敗則檢測判斷電能表載波通信功能異常，重新選擇紅外檢測方式進行檢測，檢測結果反饋上位機，如果成功和進行下一步止碼錄碼工作，連續失敗則判斷電能表紅外功能異常，重新選擇拍攝檢測方式，使用高精度攝像頭進行拍照完成止碼信息的錄入，軟件工作流程框圖如圖4 所示。

上位機軟件界面采用任務靈活配置，將所有包含的檢測命令項均通過代碼實現，建立一個完整的檢測命令庫，將單一檢測項均規整添加進去，對于需要的檢測項，可通過新建檢測方案來實現，方案包含檢測項靈活配置，并存檔保留，重復應用性好。

另外拍攝檢測方式不單單是進行電表信息拍照，上傳存儲到系統，還包括對拍攝結果的圖像識別功能，識別結果可以在系統中存儲與拍攝結果進行對比留檔，進一步提升檢測的可靠性。

3 結論

本文對拆回電能表分揀裝置進行了研究，采用數字功放原理，經過一系列硬件集成、配合實現拆回電能表分揀功能。在進行功能檢測時功放系統使用PWM 前置放大電路、電壓電流功放電路、IGBT 放大電路能夠實時提供全量程供電以及電源切換，而配合時鐘源、信號源、標準表系統能夠準確日計時誤差檢測、計量存儲信息等功能檢測，準確高效的實現電能表功能檢測，完成分揀功能。

分揀裝置經過實際使用，非常適用于拆回電能表的分揀檢測，對于拆回電能表支持645協議、698協議，對于一些外觀、計量、時鐘、存儲問題均能實現檢測，且設備輕便靈活，易于移動，操作簡單，實用性、可靠性、安全性均能滿足大范圍推廣。

4 總結

文中主要論述了整個數字功放系統的實現以及組成模塊，配合載波測試系統、紅外抄表測試系統、圖像識別系統完成拆回電能表的分揀工作，能夠實現日計時誤差、計量誤差、通信功能檢測，達到預期目標要求，且通過自動化分揀手段大大較少了人工成本，提高了分揀準確度，以及可靠性、安全性也得到保證。